Un método para incrementar la velocidad del sonido y reducir la resistencia aerodinámica de un rotor de turbinaque gira dentro de una caja de rotor de turbina y para someter a pruebas de sobrevelocidad el rotor de la turbinamás allá de sus puntos prefijados normales de desconexión,

en el que el rotor de turbina normalmente funciona enaire o vapor. Dicho método comprende los siguientes pasos:

(a) suministrar un gas de purga a la caja del rotor de la turbina; en el que el gas de purga no es vapor; y en elque el gas de purga se compone esencialmente de uno o varios gases con un peso molecular inferior a 28;

(b) purgar la caja del rotor de la turbina con el gas de purga al suministrar el gas de purga a la caja del rotor dela turbina para sustituir el aire o vapor en el que el rotor de la turbina se movería en otro contexto, a una velocidadsuficiente como para que el gas dentro de la caja del rotor de la turbina esté compuesto esencialmente del gas depurga;

(c) girar el rotor dentro de la caja del rotor de la turbina a una velocidad por encima de los puntos prefijadosnormales de desconexión del rotor.

Campo técnico

La presente invención se refiere a turbinas, y más en concreto a pruebas de sistemas de control de turbinas, como por ejemplo sistemas para la prevención de sobrevelocidad.

Antecedentes de la invención

Las máquinas de turbina, en especial las turbinas de vapor que se utilizan en centrales de energía comerciales, generalmente emplean sistemas de control que llevan a cabo una variedad de funciones, entre las que figuran las de desconexión (en inglés, tripping) . La desconexión consiste en la paralización de una turbina cuando se producen determinadas situaciones anómalas, como por ejemplo una baja presión del aceite lubricante de cojinetes, una temperatura elevada en los cojinetes o una sobrevelocidad del rotor. La sobrevelocidad del rotor, si no se controla adecuadamente, puede hacer que el rotor salte en pedazos, lo que tendría como resultado daños considerables y, en algunos casos, consecuencias catastróficas. Por consiguiente, la mayoría de las turbinas de vapor están equipadas con sistemas de control eléctricos, hidráulicos o de ambos tipos, así como con dispositivos mecánicos de seguridad de desconexión por sobrevelocidad para evitar la sobrevelocidad del rotor. Para garantizar su funcionamiento correcto, estos dispositivos deben ser sometidos a pruebas periódicas. En la mayoría de los casos, las pruebas de los sistemas de desconexión por sobrevelocidad de turbina requieren que el rotor de la turbina alcance puntos prefijados de desconexión, por lo general establecidos a un 103-120% de la velocidad de diseño normal. Véanse, por ejemplo, las patente estadounidenses n° 5.133.189 y n° 5.292.225.

En las centrales nucleares normalmente se utilizan como motores primarios (fuente de rotación) turbinas de potencia pequeña a mediana, y estas son periódicamente sometidas a pruebas para garantizar su funcionamiento correcto. Por lo general, el riesgo es menor cuando se llevan a cabo las pruebas de desconexión por sobrevelocidad en un momento en el que no se requiere que la turbina esté operativa, por ejemplo durante las paradas para reponer combustible.

Durante estas paradas para la reposición de combustible se identifican como actividades de mantenimiento y prueba "en ruta crítica" aquellas que, en caso de retrasarse, demorarían el retorno al servicio (la productividad) de la central de energía. En cambio, las actividades de mantenimiento y prueba realizadas durante una parada que no aumentan la duración de las paradas son identificadas como "fuera de ruta crítica". En la gestión de las centrales nucleares normalmente se prefiere que todas las actividades de mantenimiento y prueba, incluidas las pruebas de sobrevelocidad, se efectúen fuera de ruta crítica cuando sea posible. Sin embargo, los costes asociados con la realización de estas pruebas pueden ser significativos, ya que normalmente se requiere una fuente alternativa de vapor para hacer girar la turbina, puesto que el reactor ya no puede producir vapor. Estos costes pueden incluir el alquiler de una fuente alternativa de vapor capaz de hacer girar el rotor de la turbina más allá de sus valores normales prefijados de desconexión, además de los costes de mano de obra necesarios para las actividades de ingeniería, mantenimiento y soporte operativo. Por otra parte, la logística de la instalación, operación y extracción del equipo necesario puede añadir un grado de complejidad a un plan de parada para la reposición de combustible ya de por sí bastante complejo.

Alternativamente, pueden llevarse a cabo pruebas de desconexión por sobrevelocidad utilizando el vapor proporcionado por el reactor, una vez que este se encuentre de nuevo en funcionamiento. No obstante, generalmente no se prefiere este método de prueba, debido a las pérdidas de productividad que resultan del retraso en la vuelta al servicio. Más específicamente, cuando se prueba una turbina utilizando vapor proporcionado por el reactor, las pruebas se realizan durante el arranque de la central a partir de la parada para la reposición de combustible. Este método de pruebas se considera generalmente "en ruta crítica", ya que la actividad de pruebas se convierte en una actividad en serie en la secuencia de arranque. Para hacer girar un rotor de turbina más allá de los puntos prefijados de desconexión normales, se requieren sistemas motrices de alta potencia capaces de superar los efectos de la resistencia aerodinámica. La "resistencia aerodinámica" (en inglés, windage) se refiere generalmente a una pérdida debido a una fricción de fluido en un cuerpo en rotación. Las pérdidas por resistencia aerodinámica dependen de la velocidad de un rotor de turbina Los efectos de resistencia aerodinámica para los rotores que giran en el aire a altas velocidades son significativos.

En la patente estadounidense n° 2172910 se divulga un método para el funcionamiento de centrales térmicas en el que se utiliza un medio de trabajo gaseoso, preferentemente el aire, en un ciclo cerrado a una presión por encima de la presión atmosférica.

En la patente WO 00/60226 se divulga un sistema de turbina de gas que consiste en un ciclo semicerrado en el que se recircula gas parcialmente expandido de turbina de gas desde la salida de la turbina de gas y se mezcla con gas procedente de un compresor en un eyector.

En la patente estadounidense n° 583146 se divulga una central térmica en la que un medio de trabajo se encuentra dentro de un ciclo cerrado y se calienta y eleva posteriormente a una presión superior en un turbocompresor.

En la patente estadounidense n° 3682564 se divulga un sistema de desconexión por sobrevelocidad de turbina con un mecanismo de prueba.

Existe una necesidad no satisfecha de un dispositivo que someta a prueba los sistemas de control de turbinas, el cual reducirá la necesidad de suministrar la potencia requerida para hacer girar el rotor de turbina más allá de sus puntos prefijados de desconexión normales durante las pruebas de sobrevelocidad, y que permitirá realizar pruebas de sobrevelocidad fuera de la ruta crítica. Este dispositivo debe permitir estas pruebas sin someter la turbina sometida a pruebas a tensiones inaceptables, como por ejemplo una velocidad cercana a la del sonido en las puntas del rotor de turbina.

Divulgación de la invención

El problema mencionado anteriormente se resuelve mediante un método de conformidad con la reivindicación 1. Este método se utiliza para acelerar el rotor de turbina hasta llegar a su velocidad de prueba sin el uso de vapor. Se pueden controlar con una precisión relativamente alta la velocidad y la aceleración del rotor. Esto reduce al mínimo la probabilidad de que la turbina se vea dañada como resultado de una velocidad del sonido u otra avería mecánica. El gas de purga, que tiene un peso molecular inferior a 28, posee una velocidad del sonido superior a la del aire, reduciendo así los riesgos causados por la velocidad del sonido. Se reducen tanto las pérdidas por resistencia aerodinámica como los requisitos de potencia al seleccionar un gas de purga con un bajo peso atómico/molecular.

Breve descripción de la figura

En la Figura se ilustra esquemáticamente un diagrama de bloques de los componentes principales de una realización del dispositivo de pruebas de los controles de la turbina.

Métodos para llevar a cabo la invención

Esta invención proporciona un método para llevar a cabo pruebas de forma rápida y fuera de ruta crítica de los sistemas de desconexión por sobrevelocidad para turbinas. El diseño básico comprende un sistema de control de operador, un ensamblaje de fuerza motriz de accionamiento y un ensamblaje de purga de gas. En una realización, el dispositivo de prueba de los controles de la turbina proporciona un sistema autónomo de pruebas que suministra un medio para accionar la turbina, a la vez que supervisa y controla su velocidad de rotación. En la práctica, se aísla la turbina que se está probando del vapor de accionamiento y de los otros componentes a los que está generalmente unida (por ejemplo, bombas, generadores, etc.) . Se reemplaza el aire en la caja del rotor de la turbina con un gas de purga capaz de reducir la resistencia aerodinámica, a la vez que se incrementa la velocidad del sonido dentro de la caja del rotor de la turbina. Un gas de purga preferido es el helio.

La utilización de este dispositivo para probar los sistemas de desconexión por sobrevelocidad presenta diversas ventajas. En primer lugar, se pueden reducir los costes y los periodos improductivos.... [Seguir leyendo]

1. Un método para incrementar la velocidad del sonido y reducir la resistencia aerodinámica de un rotor de turbina que gira dentro de una caja de rotor de turbina y para someter a pruebas de sobrevelocidad el rotor de la turbina más allá de sus puntos prefijados normales de desconexión, en el que el rotor de turbina normalmente funciona en aire o vapor. Dicho método comprende los siguientes pasos:

(a) suministrar un gas de purga a la caja del rotor de la turbina; en el que el gas de purga no es vapor; y en el que el gas de purga se compone esencialmente de uno o varios gases con un peso molecular inferior a 28;

(b) purgar la caja del rotor de la turbina con el gas de purga al suministrar el gas de purga a la caja del rotor de la turbina para sustituir el aire o vapor en el que el rotor de la turbina se movería en otro contexto, a una velocidad suficiente como para que el gas dentro de la caja del rotor de la turbina esté compuesto esencialmente del gas de purga;

(c) girar el rotor dentro de la caja del rotor de la turbina a una velocidad por encima de los puntos prefijados normales de desconexión del rotor.

2. Un método, tal y como se describe en la reivindicación 1, que además comprende someter a prueba el funcionamiento apropiado de un sistema de control de turbinas que controla el giro del rotor de la turbina.

3. Un método, tal y como se describe en la reivindicación 1, que además comprende los siguientes pasos:

(a) introducir las especificaciones operativas deseadas del rotor de turbina en un sistema de control de operador;

(b) suministrar el gas de purga a través de una o varias válvulas solenoide de línea de control de flujo de gas de purga controladas por un controlador lógico programable;

(c) supervisar y controlar la concentración del gas de purga en la caja del rotor de la turbina con un controlador lógico programable;

(d) girar el rotor a una velocidad predeterminada.

4. Un método, tal y como se describe en la reivindicación 1, en el que se selecciona el gas de purga de entre el grupo formado por los siguientes gases: helio, hidrógeno, neón, metano, fluoruro de hidrógeno y amoníaco.

5. Un método, tal y como se describe en la reivindicación 1, en el que la fuente del gas de purga comprende helio.

6. Un método, tal y como se describe en la reivindicación 1, en el que se incrementa la velocidad de rotación del rotor al incrementar la potencia suministrada al rotor de la turbina.

7. Un método, tal y como se describe en la reivindicación 1, en el que se disminuye la velocidad de rotación del rotor al reducir la potencia suministrada al rotor de la turbina o al activar un freno dinámico.